不同降雨模式下山谷型垃圾填埋場(chǎng)水分運(yùn)移及其穩(wěn)定性研究

邱戰(zhàn)洪，何春木，朱兵見(jiàn)，陳合龍

（臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 引 言

我國(guó)是受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最嚴(yán)重國(guó)家之一，特別是浙江、福建等東南沿海地區(qū)。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)往往伴隨著強(qiáng)降雨，同時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣往往也會(huì)帶來(lái)暴雨、特大暴雨。山谷型填埋場(chǎng)在我國(guó)南方地區(qū)較為常見(jiàn)，降雨后匯水區(qū)域內(nèi)形成地表和地下徑流，向低處的填埋場(chǎng)區(qū)流動(dòng)。因此，強(qiáng)降雨時(shí)大量的雨水可能入滲到垃圾堆體中。

十多年的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，我國(guó)南方第1批建造的許多山谷型填埋場(chǎng)(如杭州天子嶺、蘇州七子山、重慶長(zhǎng)生橋)，由于無(wú)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)或系統(tǒng)失效、缺乏必要的雨污分流措施、截洪溝失效等原因[1]。在降雨入滲作用下，填埋場(chǎng)內(nèi)的水位普遍較高，如杭州市天子嶺第1垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液的水頭高達(dá)40～50 m。Koerner等[2]對(duì)10個(gè)發(fā)生失穩(wěn)的填埋場(chǎng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明，填埋體內(nèi)的滲濾液水位過(guò)高是填埋場(chǎng)失穩(wěn)的主要誘因，占70%，并且其中3個(gè)和強(qiáng)降雨有關(guān)。一旦垃圾填埋場(chǎng)發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，將會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。例如 2000年7月10日，菲律賓首都馬尼拉附近奎松市的一座大型垃圾填埋場(chǎng)失穩(wěn)，造成330人被活埋，278余人死亡的慘劇，該場(chǎng)災(zāi)害是由當(dāng)時(shí)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的極端強(qiáng)降雨誘發(fā)[3]。因此，研究強(qiáng)降雨時(shí)垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的雨水入滲規(guī)律及其穩(wěn)定性的變化，對(duì)我國(guó)山谷型垃圾填埋場(chǎng)的安全管理和災(zāi)害防治具有實(shí)際意義。

2 垃圾土的水力特性

2.1 垃圾土的土-水特征曲線

七子山垃圾填埋場(chǎng)位于蘇州市南郊，距蘇州市中心13 km處。填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)容量為470×104m3，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)年限15 a，于1993年7月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。目前，填埋場(chǎng)日處理垃圾1 600 t。

課題組為了考慮垃圾埋深和齡期對(duì)垃圾土持水特性、抗剪強(qiáng)度參數(shù)、孔隙比、含水率及組分等的影響，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填埋歷史的調(diào)查，按齡期和埋深將填埋場(chǎng)內(nèi)的垃圾土分為淺層、中層和深層垃圾土，對(duì)應(yīng)的填埋齡期分別為 0.0～6.0年，6.0～9.5年和9.5～13.0年，詳見(jiàn)圖1。圖1為填埋場(chǎng)2006年4月份的剖面圖。

圖1 蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)的剖面圖Fig.1 Cross-section of Qizhishan landfill in Shuzhou city

對(duì)于垃圾的持水特性，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了一定研究[4－6]。結(jié)合工程項(xiàng)目“蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)擴(kuò)建工程現(xiàn)場(chǎng)土工測(cè)試”，在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取得不同深度處的垃圾樣，浙江大學(xué)巖土工程研究所利用美國(guó)土壤水分儀器公司的 Cat. No. 1600 壓力板儀對(duì)原狀垃圾土持水特性進(jìn)行了研究，得到垃圾土的土-水特征曲線如圖2[7]。

2.2 垃圾土的滲透性函數(shù)

垃圾土的滲透性函數(shù)同時(shí)受到孔隙比和飽和度（或含水率）變化的影響，在非穩(wěn)定滲流過(guò)程中的孔隙比的變化很小，因此，常常將垃圾土的滲透性系數(shù)表達(dá)為飽和度S或體積含水率θw的單一函數(shù)。

Brooks和Corey在用各類介質(zhì)做了大量脫濕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了Brooks-Corey公式：

圖2 垃圾土的土-水特征曲線Fig.2 The soil-water characteristic curves of MSW landfill

式中：Se為有效飽和度；θ、θs和θr分別為體積含水率、飽和含水率和殘余含水率；ψ為基質(zhì)吸力；ψc為殘余含水率對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力；λ為孔隙大小分布指數(shù)，為有效飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線的負(fù)斜率。

利用式（1）、（2），可由土-水特征曲線得到垃圾土的基質(zhì)吸力與有效飽和度關(guān)系。其中，深層垃圾θr=15%，θs=59.32%；中層垃圾θr=11%，θs= 67.74%；淺層垃圾θr=8%，θs=72.00%。

式（2）可寫作冪函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式如下：

對(duì)基質(zhì)吸力與有效飽和度之間的關(guān)系進(jìn)行非線性擬合回歸分析，可得深層垃圾ψc=1.46 kPa，λ=0.44；中層垃圾ψc=0.65 kPa，λ=0.40；淺層垃圾ψc=0.66 kPa，λ=0.47。

最后，根據(jù)Campbell公式[8]可得垃圾土的滲透性函數(shù)如下：

式中：ks為飽和滲透系數(shù)。

分別把淺層、中層和深層垃圾土的λ值代入式(4)，可繪圖得到垃圾土的滲透關(guān)系曲線如圖3，圖中深層、中層和淺層垃圾的飽和滲透系數(shù)分別為2.75×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2cm/s。

從圖3可見(jiàn)，垃圾土的滲透系數(shù)隨體積含水率的增長(zhǎng)而增大，兩者成冪函數(shù)關(guān)系。當(dāng)垃圾土體積含水率較低時(shí)，滲透系數(shù)變化較緩慢；當(dāng)垃圾土體積含水率達(dá)到一定值時(shí)，滲透系數(shù)急劇上升。

3 雨水入滲數(shù)值模型

3.1 控制方程

由于降雨邊界條件和滲流場(chǎng)內(nèi)水頭（或孔隙水壓）隨時(shí)間發(fā)生變化，降雨入滲過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)滲流。滲流過(guò)程中假定無(wú)體積變化（即不考慮變形-滲流的耦合作用），同時(shí)假定孔隙氣壓力保持常數(shù)（1個(gè)大氣壓）和滲透性各向異性，根據(jù)連續(xù)性方程和達(dá)西滲流定律，可得瞬態(tài)流分析的控制方程[9]為

式中：kw為垃圾土的滲透系數(shù)，hw= y +uw/γw為滲濾液水頭，γw=ρwg為滲濾液重度，m2w為垃圾土土-水特征曲線上uw對(duì)應(yīng)的土-水特征曲線的斜率，uw為垃圾土的孔隙水壓力（基質(zhì)吸力）。

圖3 垃圾土的滲透性關(guān)系曲線Fig.3 Permeability function curves of MSW landfill

圖4 七子山填埋場(chǎng)有限元模型Fig.4 The finite element model of Qizhishan landfill

3.2 有限元模型

模型用結(jié)構(gòu)4節(jié)點(diǎn)單元離散，共有1 683個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 592個(gè)單元。七子山填埋場(chǎng)的有限元模型見(jiàn)圖4。

3.3 邊界條件

由于七子山填埋場(chǎng)底部無(wú)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)，其滲濾液的導(dǎo)出主要靠垃圾壩內(nèi)的排水棱體。由于填埋場(chǎng)內(nèi)的初始滲濾液水頭較高，可見(jiàn)排水棱體的堵塞情況非常嚴(yán)重，因此，可假設(shè)其滲透系數(shù)為 0。在本文計(jì)算中，填埋場(chǎng)底部及垃圾壩和垃圾截面邊界都處理為不透水邊界，填埋場(chǎng)上表面處理為隨降雨入滲時(shí)間變化的流量邊界條件。

3.4 初始水位

在“蘇州市七子山垃圾填埋場(chǎng)擴(kuò)建工程土工測(cè)試項(xiàng)目”中，浙江大學(xué)巖土工程研究所對(duì)七子山垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了系列現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，包括鉆探試驗(yàn)、垃圾取樣、觸探試驗(yàn)和孔隙水壓監(jiān)測(cè)等[10]。通過(guò)5個(gè)鉆孔得到實(shí)測(cè)滲濾液初始水位，見(jiàn)圖1所示虛線。

3.5 降雨模式

現(xiàn)有文獻(xiàn)表明，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的降雨，不但與降雨強(qiáng)度、降雨持時(shí)有關(guān)，還明顯受到降雨模式的影響[11－12]。本文擬考慮遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型4種降雨模式對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)水分運(yùn)移與填埋場(chǎng)穩(wěn)定的影響。4種典型7 d降雨模式如圖5所示，圖中dj、zx、zq和pj分別表示遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型4種降雨模式。為了便于得到實(shí)際的雨量分布圖，圖中對(duì)4種降雨模式的雨量分布進(jìn)行了無(wú)量綱化，即總降雨量乘以降雨系數(shù)就得到實(shí)際的降雨量分布。

圖5 四種典型7 d降雨模式Fig.5 Four rainfall patterns of 7 days rainfall

根據(jù)蘇州市氣象資料，本文選用7 d總降雨量746 mm，重現(xiàn)期為100 a一遇。

4 填埋場(chǎng)內(nèi)水分遷移規(guī)律

4.1 孔隙水壓頭（孔隙水壓）變化

在有限元網(wǎng)格中，516節(jié)點(diǎn)處于填埋場(chǎng)的初始水位線上。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，該節(jié)點(diǎn)處的孔隙水壓（孔隙水壓頭）的變化規(guī)律最為明顯。因此，本文選取516節(jié)點(diǎn)為代表來(lái)反映不同降雨模式下填埋場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓頭或孔隙水壓變化規(guī)律。516節(jié)點(diǎn)處孔隙水壓和孔隙水壓頭的變化規(guī)律詳見(jiàn)圖 6(a)和圖6(b)所示。

從圖中可見(jiàn)，不同降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)中的孔隙水壓頭（孔隙水壓）變化規(guī)律影響顯著。其中，遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型降雨模式的最終孔隙水壓頭分別為 4.90、4.32、3.22 m和3.32 m，最大差值為1.68 m。遞減型、中心型、增強(qiáng)型和平均型降雨模式的最終孔隙水壓力分別為 48.1、42.4、31.6、32.5 kPa，最大差值為16.5 kPa。

圖6 516節(jié)點(diǎn)孔隙水壓力變化曲線Fig.6 Curves of water pressure at No.516 node

4.2 滲濾液水位的變化

圖7給出了7 d強(qiáng)降雨后，4種降雨模式下七子山填埋場(chǎng)的滲濾液水位線。從圖中可見(jiàn)，降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液水位有明顯影響，遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位最高，增強(qiáng)型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位最低，平均型和增強(qiáng)型降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位較為接近。需要指出的是，與山谷型填埋場(chǎng)的輪廓尺度相比，不同降雨模式下填埋場(chǎng)的最終滲濾液水位線之間的差距不大，但可能會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

圖7 4種降雨模式下填埋場(chǎng)的滲濾液水位線Fig.7 Water table of leachate in landfill subjected to four rainfall patterns

5 填埋場(chǎng)穩(wěn)定性分析

本文利用極限平衡法分析了4種降雨模式下七子山填埋場(chǎng)穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，分析結(jié)果見(jiàn)圖 8。其中，本文采用的垃圾抗剪強(qiáng)度參數(shù)[10]如表1。

圖8 安全系數(shù)Fs的變化曲線Fig.8 Curves of safety factor Fs

表1 七子山填埋場(chǎng)穩(wěn)定分析的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值Table 1 Shear strength parameters of Qizhishan landfill

從圖8可見(jiàn)，填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性隨降雨時(shí)間的增加不斷減低，降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律有顯著的影響。其中，遞減型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第1～2 d下降最為顯著；中心型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第4 d下降最為明顯；平均型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第1～3 d變化較快，在第4～7 d變化較為平緩；增強(qiáng)型降雨模式下的填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)在第6～7 d下降最為快速；并且遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的最終穩(wěn)定系數(shù)最小，為1.016。

在初始水位作用下，填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)為1.314，具有一定的穩(wěn)定性安全儲(chǔ)備，而經(jīng)歷7 d強(qiáng)降雨后，4種降雨模式下填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)都下降明顯，填埋場(chǎng)具有嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患。

6 結(jié) 論

（1）降雨模式對(duì)山谷型垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)的水分運(yùn)移規(guī)律有顯著的影響，遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)內(nèi)孔隙水壓（孔隙水壓頭）變化最大，為最不利降雨模式。

（2）填埋場(chǎng)的穩(wěn)定性隨降雨入滲時(shí)間的增加不斷減低，降雨模式對(duì)填埋場(chǎng)穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律有顯著的影響，遞減型降雨模式下填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)下降最明顯。

（3）經(jīng)歷7 d的極端強(qiáng)降雨后，七子山填埋場(chǎng)的穩(wěn)定系數(shù)水滲濾液水位的上升下降明顯，具有嚴(yán)重的失穩(wěn)隱患，需要采取必要的工程措施。

[1]何晟, 蘭吉武, 詹良通. 南方山谷型填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)量及水位控制措施[J]. 中國(guó)給水排水, 2010, 26(8): 1－5.HE Sheng, LAN Ji-wu, ZHAN Liang-tong. Control Measures for Leachate Generation Rate and Leachate Level at Valley-type Landfills in South China[J]. China Water & Wastewater, 2010, 26(8): 1－5.

[2]KOERNER R M, SOONG T Y. Stability assessment of ten large landfills failures[C]// Proceedings of sessions of Geo Denver 2000. [S.l.]: ASCE Geotechnical Special Publication, 2000, 103: 1－38.

[3]SCOTT M M, EDWARD K JR, WOLFGANG U F.Reconnaissance of the July 10, 2000, Payatas landfill failure[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2005, 19(2): 100－107.

[4]JANG Y S, KIM Y W, LEE S I. Hydraulic properties and leachate level analysis of Kimpo metropolitan landfill,Korea [J]. Journal of Waste Management, 2002, 22:261－267.

[5]KAZIMOGLU Y K, MCDOUGALL J R, PYRAH I C.Unsaturated hydraulic conductivity of landfill waste[J].Unsaturated Soils, ASCE, 2006: 1525－1534.

[6]NOBLE J J, ARNOLD A E. Experimental and mathematical modeling of moisture transport in landfills[J]. Chemical Engineering Communication, 1991, 100:95－111.

[7]張文杰, 陳云敏, 邱戰(zhàn)洪. 垃圾土滲透性和持水性的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(11): 3313－3317, 3323.ZHANG Wen-jie, CHEN Yun-min, QIU Zhan-hong.Laboratory and field tests on hydraulic properties of landfilled waste[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(11): 3313－3317, 3323.

[8]Campbell G S. A simple method for determining unsaturated hydraulic conductivity from moisture retention data [J]. Soil Science, 1974, 117(6): 311－314.

[9]弗雷德隆德, 拉哈爾佐著. 非飽和土力學(xué) [M]. 北京：建筑工程出版社，1997.

[10]TONY L T, ZHAN Y M, CHEN W A, et al. Shear strength characterization of municipal solid waste at the Suzhou landfill, China[J]. Engineering Geology, 2008,97: 97－111.

[11]TSAI T L. The influence of rainstorm pattern on shallow landside [J]. Environmental Geology, 2008, 53: 1563－1569.

[12]NG C W W, WANG B B, TUNG Y K. Three-dimensional numerical investigation of groundwater slope subjected to various rainfall patterns[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2001, 38(5): 1049－1062.